光導(dǎo)纖維在發(fā)光織物上的應(yīng)用研究進(jìn)展

林文君， 繆旭紅

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

智能紡織品能夠感知和反應(yīng)環(huán)境的變化,具有不同的附加值[1-2]。發(fā)光織物作為智能紡織品的重要組成部分，由于其新穎性和實(shí)用性而引起許多研究者的關(guān)注[3]。發(fā)光織物根據(jù)發(fā)光材料可分為3類：將發(fā)光二極管集成到紡織結(jié)構(gòu)中形成發(fā)光織物，利用夜光纖維形成發(fā)光織物以及將光導(dǎo)纖維織造成光纖發(fā)光織物。利用發(fā)光二極管形成的發(fā)光織物可應(yīng)用在舞臺(tái)服裝、裝飾用紡織品、安全警示等領(lǐng)域[4]。由稀土夜光纖維形成的夜光織物通過稀土夜光纖維吸收可見光而使織物發(fā)光[5]，但發(fā)光亮度較暗、無變色效果且光衰大[6]，夜光織物可應(yīng)用在民族刺繡服裝、安全警示、家居用品、玩具裝飾品等領(lǐng)域[7]。相較于其他發(fā)光織物，利用光導(dǎo)纖維形成的光纖發(fā)光織物可在織物表面或者需要的地方發(fā)光，發(fā)光區(qū)域更為靈活，具有發(fā)光亮度亮、質(zhì)量輕、不受電磁輻射、耗電量小、與光源連接方便、透氣性好，穿著舒適等優(yōu)勢[3，6，8]。通過將光導(dǎo)纖維集成到合適的紡織結(jié)構(gòu)中，在可穿戴設(shè)備的任何部分實(shí)現(xiàn)光的傳輸，因此可應(yīng)用在兒童服裝、舞臺(tái)服裝、晚禮服、夜晚運(yùn)動(dòng)服、安全服等可穿戴服裝。光纖發(fā)光織物還可應(yīng)用在室內(nèi)裝飾、安全警示和醫(yī)療等領(lǐng)域。光纖發(fā)光織物在醫(yī)療用途上主要是通過調(diào)制不同波長的光源得到不同的光波，從而獲得不同的治療效果[9]。

本文根據(jù)織造對(duì)光導(dǎo)纖維的要求，結(jié)合發(fā)光織物的必要屬性，分析了光導(dǎo)纖維應(yīng)用于發(fā)光織物的可能性，闡述了光導(dǎo)纖維在發(fā)光織物上的最新研究進(jìn)展，以期為光纖發(fā)光織物的研發(fā)以及在智能服裝中的應(yīng)用推廣提供思路。

1 光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維簡稱光纖，是一種由透明光學(xué)材料制成的可傳導(dǎo)光功率的纖維[8]。光導(dǎo)纖維根據(jù)材料可分為石英光纖、玻璃光纖與聚合物光纖(又稱塑料光纖，簡寫為POF)[10-11]。從織造角度看，與石英光纖和玻璃光纖相比，聚合物光纖具有良好的柔韌性和彎曲性，更加適合用來織造光纖發(fā)光織物。聚合物光纖是由高折射率的聚合物制作的芯層和低折射率聚合物制作的皮層組成，聚合物光纖皮層的折射率要比芯層的折射率略小才能使光通過[8]。芯層材料主要有聚乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)這3種材料；皮層材料主要有PMMA和氟樹脂。目前市場上最常用的是PMMA聚合物光纖。聚合物光纖具有柔韌性好、細(xì)長、柔軟、輕便、直徑大、易耦合、不導(dǎo)電、可傳導(dǎo)光源等特點(diǎn)[3-4,6]，主要應(yīng)用在照明裝飾、傳感器及光學(xué)醫(yī)療器械中[12-14]。聚合物光纖按照其發(fā)光方式可分為端面發(fā)光光纖和側(cè)面發(fā)光光纖。端面發(fā)光光纖是指在光傳輸過程中通過光的全反射將光從入射端面?zhèn)鬏數(shù)匠錾涠嗣?；?cè)面發(fā)光光纖是指在光傳輸過程中不僅可將光從入射端面?zhèn)鬏數(shù)匠錾涠嗣?，還有一部分光能從光纖的側(cè)面漏出來，形成側(cè)面發(fā)光的效果[15-16]。聚合物光纖是形成光纖發(fā)光織物的重要組成原料，聚合物光纖的基本參數(shù)見表1。表中MMA指的是甲基丙烯酸甲酯。目前常用的是PMMA芯聚合物光纖，力學(xué)強(qiáng)度好、透光率高。

表1 聚合物光纖的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of polymer fiber

2 發(fā)光織物用光纖

2.1 發(fā)光織物對(duì)光纖的要求

光纖應(yīng)用于發(fā)光織物必須考慮到發(fā)光織物的必要屬性以及光纖的性能特點(diǎn)。發(fā)光織物的必要屬性包括柔軟，質(zhì)輕，使用持久安全，發(fā)光亮度高且均勻，服用性能良好。發(fā)光織物最突出的特征就是在黑暗中的發(fā)光亮度及花型圖案效果，發(fā)光亮度是指單位面積的發(fā)光表面所產(chǎn)生的發(fā)光強(qiáng)度[17]?？椢锏睦?、組織結(jié)構(gòu)、類型[18]、密度,光纖的數(shù)量、彎曲半徑、彎曲損耗[19]，光在光纖中的傳遞呈指數(shù)衰減[20]等因素都會(huì)對(duì)發(fā)光織物的發(fā)光亮度產(chǎn)生影響,因此需要考慮光纖的力學(xué)性能、化學(xué)性能、熱學(xué)性能以及光學(xué)性能對(duì)織造發(fā)光織物的影響。

2.1.1 光纖的力學(xué)性能

光纖的力學(xué)性能影響其編織性能[21]。光纖的鉤接強(qiáng)度較低、彈性差、耐磨性差，因此光纖在織造過程中容易發(fā)生斷裂。石英光纖和玻璃光纖的彎曲性能差，聚合物光纖的斷裂拉伸率較大，韌性好，彎曲性能好[22]，彎曲半徑大；但聚合物光纖的彎曲半徑與針織過程中織針鉤取紗線時(shí)所需要的紗線彎曲半徑要求不一致[3]，且聚合物光纖的抗彎剛性大，不利于光纖彎曲成圈，因此，聚合物光纖的成圈編織比較困難，適合通過浮線的形式進(jìn)行編織[21]。聚合物光纖的柔軟性、撓曲性和延伸性好，便于加工和使用。

2.1.2 光纖的熱學(xué)性能

光纖的熱學(xué)性能影響光纖發(fā)光織物的染色與定形。石英光纖和玻璃光纖的耐熱性好，而聚合物光纖的耐熱性差[23]，且聚合物光纖的熱穩(wěn)定性較差，在急熱或急冷的情況下容易對(duì)纖維產(chǎn)生損傷。PS芯和PMMA芯聚合物光纖的工作溫度小于80 ℃；PC芯聚合物光纖的工作溫度小于150 ℃;耐熱型聚合物光纖可在100～200 ℃范圍內(nèi)使用[22,24]。因此，聚合物光纖織物難以正常進(jìn)行熨燙、染色、定形等后處理。

2.1.3 光纖的化學(xué)性能

光纖的化學(xué)性能一般取決于其原材料，例如玻璃光纖的化學(xué)性能類似玻璃，聚合物光纖的化學(xué)性能類似塑料，但光纖本身的特殊結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其化學(xué)性能。光纖表面積相對(duì)較大，容易吸潮，這會(huì)使纖維受到侵蝕，產(chǎn)生散射光，導(dǎo)致光纖力學(xué)強(qiáng)度減弱、透過率下降。聚合物光纖的耐酸堿性好[10]，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，耐腐蝕性和耐老化性強(qiáng)。

2.1.4 光纖的光學(xué)性能

光纖具有可傳導(dǎo)光和散射光的光學(xué)特性，影響光纖發(fā)光織物的發(fā)光亮度、發(fā)光效果以及所帶來的花型圖案效果。聚合物光纖的色散大、折射率高、光傳輸衰減大且在光的傳輸過程中損耗大，特別是在紫外光區(qū)和紅外光區(qū)的損耗大，聚合物光纖在可見光區(qū)的透光率高[10]。

2.2 光纖發(fā)光織物

光纖發(fā)光織物是通過光纖側(cè)面發(fā)光原理將聚合物光纖作為紗線與普通紗線一起織入織物形成的具有發(fā)光效果的織物[15-16]。由于聚合物光纖本身不發(fā)光，只能傳導(dǎo)光，因而還需要將發(fā)光二極管(LED)作為光源與聚合物光纖連接，不僅可將光傳輸?shù)街付ǖ奈恢?，還可將光傳輸?shù)娇椢锉砻妫俳Y(jié)合電路設(shè)計(jì)使織物發(fā)光[25-27]。由于聚合物光纖具有良好的柔韌性以及可編織性，在使用過程中可被設(shè)定成任意的形狀和角度[28]，設(shè)計(jì)自由度高、可任意彎曲，因此，聚合物光纖適合作為紗線織造發(fā)光織物。目前聚合物光纖發(fā)光織物可根據(jù)編織工藝的不同分別利用端面發(fā)光光纖和側(cè)面發(fā)光光纖制備發(fā)光織物。由于側(cè)面發(fā)光光纖的發(fā)光效果比端面發(fā)光光纖好，可通過機(jī)械破壞、化學(xué)溶劑腐蝕、等離子體處理、激光等特殊方法破壞光纖的反射特性，從而使光從光纖的側(cè)面漏出，形成側(cè)面發(fā)光的效果，因此更適合采用側(cè)面發(fā)光光纖來織造光纖發(fā)光織物[16]。

目前光纖發(fā)光織物的載體有機(jī)織物、針織物、非織造織物和刺繡織物[16]。由于機(jī)織物容易形成發(fā)光織物且對(duì)聚合物光纖造成的損傷較小，因此機(jī)織物適合作為發(fā)光織物的主要載體。由于經(jīng)紗承受的張力較大，易產(chǎn)生摩擦，因此將聚合物光纖作為緯紗，普通紗線作為經(jīng)紗相互交織形成織物[16]。聚合物光纖以伸直的狀態(tài)分布在機(jī)織物中，減少摩擦，防止在織造過程中受到機(jī)械破壞造成損傷，減少光纖因彎曲而受到的損耗，但在機(jī)織結(jié)構(gòu)中，聚合物光纖與經(jīng)紗相互交織，在交織點(diǎn)處也可能產(chǎn)生微彎[29]。機(jī)織物一般選擇平紋織物、斜紋織物以及緞紋織物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，緞紋織物的側(cè)面發(fā)光亮度高于斜紋織物和平紋織物的側(cè)面發(fā)光亮度，且16枚緯面緞紋織物的側(cè)面發(fā)光亮度最高[30]。陳園園等[31]將端面發(fā)光光纖作為緯紗與普通紗線進(jìn)行交織形成織物，用發(fā)光二極管提供光源，通過光纖側(cè)面發(fā)光處理形成發(fā)光圖案且對(duì)其發(fā)光亮度進(jìn)行測試。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可改變提花織物的設(shè)計(jì)方法，使光纖編織動(dòng)態(tài)圖案成為可能[29]。陳園園等[6，30,32-33]均利用提花CAD系統(tǒng)開發(fā)了圖案和顏色可變換的動(dòng)態(tài)提花發(fā)光織物，并且對(duì)發(fā)光織物的側(cè)面發(fā)光性能進(jìn)行了測試。Wang Jinchun等[29]在提花機(jī)上，以高分子光纖作為緯線與經(jīng)線相互交織，在織物表面形成圖案，所設(shè)計(jì)的POF提花織物能夠在電路控制下顯示高亮度、高分辨率的動(dòng)態(tài)圖案。目前，光纖發(fā)光織物在機(jī)織物研究基礎(chǔ)上，可結(jié)合織物的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電路、光路設(shè)計(jì)研發(fā)出顏色形狀可變換的可控光纖提花發(fā)光織物。

在針織結(jié)構(gòu)中，聚合物光纖要順利形成線圈就需要比機(jī)織結(jié)構(gòu)中彎曲更多，聚合物光纖的抗彎性應(yīng)保持在較低水平，以保護(hù)彎曲區(qū)域[34]。聚合物光纖的最大問題在于其抗彎剛度大，在光纖成圈時(shí)容易產(chǎn)生彎曲形態(tài)，產(chǎn)生彎曲損耗，發(fā)生斷裂，無法繼續(xù)進(jìn)行成圈編織[35]。但聚合物光纖延伸性和柔韌性好，可通過設(shè)置合理的紗線張力和組織參數(shù)以及選擇適合編織的機(jī)號(hào)、針號(hào)與機(jī)速，使得聚合物光纖順利編織成圈[36]。目前聚合物光纖在經(jīng)編中是以襯緯的形式織入針織物中；在緯編中以襯緯和襯墊的形式襯入針織物中，襯緯紗線與襯墊紗線是不被針鉤編織[37]，不參與成圈，不產(chǎn)生彎曲，對(duì)聚合物光纖的要求較低，能夠以直線形態(tài)或有限彎曲的角度分布在織物中，這樣既能成功將光纖順利織入織物中，獲得比較穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)，又能保證聚合物光纖的覆蓋率，不影響光纖的發(fā)光效果。目前，匡麗赟等[38]將聚合物光纖通過手搖橫機(jī)手動(dòng)地襯入針織物中織造成光纖發(fā)光織物，在織物表面形成不同花型圖案效果。有研究者提出一種緯編的鑲嵌技術(shù)，將聚合物光纖交織在線圈中而不是穿過編織的線圈，減少了對(duì)纖維的損傷，光纖不會(huì)發(fā)生斷裂，從而成功地將聚合物光纖在橫機(jī)上集成到針織結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)光纖在服裝上的局部發(fā)光[39]。Claire Guignier等[40]通過緯編的鑲嵌技術(shù)直接生產(chǎn)三維針織物，通過精確控制鑲嵌紗線在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的位置來增強(qiáng)針織壓力襪。有研究提出一種鋪設(shè)式結(jié)構(gòu)編織設(shè)計(jì)，這種鋪設(shè)式結(jié)構(gòu)同時(shí)適用于經(jīng)編織物和緯編織物，聚合物光纖可水平或垂直整合進(jìn)針織結(jié)構(gòu)中[36]。而在經(jīng)編織物中，楊昆等[41]在手動(dòng)經(jīng)編小樣織機(jī)上采用直徑為1 mm的聚合物光纖為襯緯紗線編織出經(jīng)編襯緯復(fù)合織物?？偠灾?，光纖通常以不彎曲的狀態(tài)或者有限的彎曲角度編織到織物中，從而保證其順利織造以及光的傳輸。

從織造角度來說，機(jī)織物對(duì)聚合物光纖的力學(xué)性能要求更低一些，受到的損傷較小，更容易形成光纖發(fā)光織物。但是由于機(jī)織物中的緯紗是通緯的，而聚合物光纖在機(jī)織物中是作為緯紗進(jìn)行織造的，因此不能在中間剪斷光纖，且在織物中聚合物光纖經(jīng)過的路徑較長。機(jī)織物透氣性和彈性差，不適合用在緊身衣、運(yùn)動(dòng)裝等服裝上來作為發(fā)光織物的研究載體，更適合用在警示服、舞臺(tái)服裝上作為光纖發(fā)光織物的載體。而針織結(jié)構(gòu)具有良好的彈性、回復(fù)性、懸垂性以及柔軟性，便于聚合物光纖襯入材料[27]，且針織物的舒適性與服用性能較好，更適合在緊身衣、運(yùn)動(dòng)裝、兒童裝等服裝上作為光纖發(fā)光織物的載體。

3 存在的問題及發(fā)展趨勢

利用光纖織造發(fā)光織物是必然趨勢，聚合物光纖應(yīng)用于制備輕便持久耐用發(fā)光織物。

3.1 光纖發(fā)光織物商業(yè)化的關(guān)鍵性問題

雖然目前光纖在制備商業(yè)化光纖發(fā)光織物方面存在一定的問題，但可以通過改善光纖的基本性能來解決。通過規(guī)范光纖的規(guī)格和提高光纖的柔韌性來使其更適合織造；提高光纖的化學(xué)性能和力學(xué)性能，例如克服聚合物光纖脆性大、抗彎剛度大以及鉤接強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，改善光纖發(fā)光織物的柔軟性與彎曲性，讓光纖能夠達(dá)到類似于普通纖維的性能來滿足光纖在常規(guī)紡織加工流程中的要求，提高織造效率；改善光纖的熱學(xué)性能，使得光纖能夠滿足織物染整、定形等加工的條件，使得光纖發(fā)光織物產(chǎn)品的功能性和服用舒適性能夠提高；由于光纖需要長時(shí)間持續(xù)暴露在光線中以恢復(fù)能量并釋放能量[42]，因此要提高光纖的耐光性，從而提高光纖發(fā)光織物的使用壽命。

3.2 光纖在發(fā)光織物上的發(fā)展方向

光纖發(fā)光織物應(yīng)具有類似于紡織品的服用性能。將聚合物光纖引入紡織結(jié)構(gòu)中，不僅使得傳統(tǒng)紡織品具有光學(xué)性能的附加值，還保留了傳統(tǒng)紡織品的特征。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮光纖發(fā)光織物的透氣性、舒適性與耐洗滌性能。

光纖發(fā)光織物應(yīng)與電子元件無縫連接，將可穿戴技術(shù)無縫地融入日常生活中，提高舒適度和安全性，從而得到兼具功能性、實(shí)用性和美觀性的光纖發(fā)光織物。

光纖發(fā)光織物的理想狀態(tài)是耗電量低，發(fā)光亮度高，發(fā)光均勻。光纖發(fā)光織物的耗電量較低，消耗功率低，可滿足織物長時(shí)間發(fā)光的要求，可形成多色混合或變色的帶有花型圖案的發(fā)光織物。

4 結(jié)束語

聚合物光纖承擔(dān)了光纖發(fā)光織物的重要角色，其在智能紡織品、智能服裝中的廣泛應(yīng)用是目前高端紡織業(yè)發(fā)展的趨勢，應(yīng)以改善光纖的基本性能為基礎(chǔ)，同時(shí)提高光纖發(fā)光織物的耐用性，把握光纖發(fā)光織物市場發(fā)展的總體趨勢。把光纖與紡織、電子相結(jié)合，開發(fā)新的工藝和表現(xiàn)手法，通過圖案設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)編織出可發(fā)光且圖案色彩可變換可控制的光纖發(fā)光織物，開發(fā)兼具功能性和舒適性的產(chǎn)品。